Apa itu laser berdenyut?

Cara paling langsung untuk menghasilkan pulsa laser adalah dengan menambahkan modulator di luar laser kontinu. Metode ini dapat menghasilkan pulsa tercepat tingkat pikodetik. Meskipun sederhana, metode ini membuang energi cahaya dan daya puncak tidak dapat melebihi daya cahaya kontinu. Oleh karena itu, cara yang lebih efisien untuk menghasilkan pulsa laser adalah dengan memodulasi rongga laser, menyimpan energi pada waktu mati dari rangkaian pulsa dan melepaskannya pada waktu hidup. Perbandingan kedua metode tersebut adalah sebagai berikut:

Empat teknik yang umum digunakan untuk menghasilkan pulsa melalui modulasi rongga laser adalah gain switching, Q-switching (loss switching), pengosongan rongga, dan mode-locking.

Sakelar gain menghasilkan pulsa pendek dengan memodulasi daya pompa. Misalnya, laser gain-switched semikonduktor dapat menghasilkan pulsa mulai dari beberapa nanodetik hingga seratus pikodetik melalui modulasi arus. Meskipun energi pulsa rendah, metode ini sangat fleksibel, seperti menyediakan laju repetisi dan lebar pulsa yang dapat disesuaikan.

Pulsa nanodetik yang kuat umumnya dihasilkan oleh laser Q-switched. Laser dipancarkan dalam beberapa perjalanan putaran dalam rongga, dan energi pulsa berkisar dari beberapa milijoule hingga beberapa joule, yang secara khusus terkait dengan ukuran sistem.

Pulsa pikodetik dan femtodetik energi sedang (umumnya di bawah 1 μJ) terutama dihasilkan oleh laser mode-locked. Ada satu atau lebih pulsa ultrashort dalam siklus kontinu di dalam rongga resonansi laser. Setiap kali pulsa rongga melewati cermin kopling keluaran, ia memancarkan satu pulsa, dan frekuensi repetisi umumnya antara 10 MHz dan 100 GHz. Gambar berikut menunjukkan perangkat laser serat femtodetik soliton disipatif (ANDi) dispersi normal penuh. Sebagian besar dapat dibangun menggunakan komponen standar Thorlabs (serat, lensa, dudukan pemasangan, dan tahap perpindahan).

Teknologi ventilasi rongga dapat diterapkan tidak hanya pada laser Q-switched untuk mendapatkan pulsa yang lebih pendek tetapi juga pada laser mode-locked untuk meningkatkan energi pulsa pada laju repetisi yang lebih rendah.

Pulsa domain waktu dan domain frekuensi
Bentuk linier pulsa yang bervariasi terhadap waktu umumnya sederhana dan dapat diwakili oleh fungsi Gaussian dan sech². Waktu pulsa (juga dikenal sebagai lebar pulsa) paling umum dinyatakan oleh nilai lebar setengah tinggi (FWHM), yaitu lebar di mana daya optik setidaknya setengah dari daya puncak. Pulsa pendek tingkat nanodetik dihasilkan oleh laser Q-switched, dan pulsa ultra-pendek (USP) mulai dari puluhan pikodetik hingga femtodetik dihasilkan oleh laser mode-locked. Elektronik berkecepatan tinggi hanya dapat mengukur pulsa puluhan pikodetik pada kecepatan tercepat. Pulsa yang lebih pendek hanya dapat diukur dengan teknik optik murni, seperti autokorelator, FROG, dan SPIDER.

Jika bentuk pulsa diketahui, hubungan antara energi pulsa (Ep), daya puncak (Pp), dan lebar pulsa (tp) dihitung sesuai dengan rumus berikut:

Di antaranya, fs adalah koefisien yang terkait dengan bentuk pulsa, kira-kira 0,94 untuk pulsa Gaussian dan sekitar 0,88 untuk pulsa sech², tetapi secara umum, diperkirakan sekitar 1.

Lebar pita pulsa dapat dinyatakan dengan frekuensi, panjang gelombang, atau frekuensi sudut. Jika lebar pita kecil, lebar pita panjang gelombang dan frekuensi dikonversi menggunakan rumus berikut, di mana λ dan ν adalah panjang gelombang dan frekuensi pusat masing-masing, dan Δλ dan Δν adalah lebar pita yang dinyatakan dalam panjang gelombang dan frekuensi masing-masing.

Pulsa batas lebar pita
Untuk bentuk pulsa tertentu, lebar spektral pulsa adalah yang terkecil ketika tidak ada chirp. Pada saat ini, kita menyebutnya pulsa batas lebar pita atau batas transformasi Fourier. Hasil kali waktu pulsa dan lebar pita frekuensinya adalah konstanta, dan konstanta ini disebut produk waktu-lebar pita (TBP). Produk waktu-lebar pita dari pulsa Gaussian dan sech² yang dibatasi lebar pita masing-masing adalah sekitar 0,441 dan 0,315. Berdasarkan hal ini, kuantitas chirp dari pulsa aktual dan dispersi penundaan grup kumulatif juga dapat dihitung.

Oleh karena itu, semakin sempit lebar pulsa, semakin lebar spektrum Fourier yang dibutuhkan. Misalnya, lebar pita pulsa 10 fs harus setidaknya berorde 30 THz, sedangkan lebar pita pulsa attodetik bahkan lebih besar, dan frekuensi pusatnya harus jauh lebih tinggi daripada frekuensi cahaya tampak apa pun.

Faktor yang mempengaruhi lebar pulsa

Meskipun lebar pulsa nanodetik atau pulsa yang lebih panjang hampir tidak berubah selama perambatan, bahkan pada jarak yang jauh, pulsa ultrashort dapat dipengaruhi oleh berbagai faktor:

Dispersi dapat menyebabkan pelebaran pulsa yang signifikan, tetapi dapat dikompresi ulang dengan dispersi yang berlawanan. Gambar berikut menunjukkan diagram prinsip kerja dari kompresor pulsa femtodetik Thorlabs yang mengkompensasi dispersi mikroskop.

Nonlinearitas umumnya tidak secara langsung memengaruhi lebar pulsa, tetapi akan menyebabkan lebar pita melebar, membuat pulsa lebih rentan terhadap dispersi selama perambatan.

Jenis serat optik apa pun (termasuk media gain lain dengan lebar pita terbatas) dapat memengaruhi lebar pita atau bentuk pulsa ultrashort, dan pengurangan lebar pita dapat menyebabkan pelebaran waktu. Ada juga kasus di mana lebar pulsa pulsa yang sangat chirped memendek saat spektrum menyempit.